红庆梁矿12301胶运巷耦合支护研究

2024-04-10罗波远宁掌玄郑嘉璐

煤 2024年4期

罗波远,高瑞,樊荣,宁掌玄,郑嘉璐

(1.杭锦旗西部能源开发有限公司,内蒙古鄂尔多斯 014300;2.山西大同大学煤炭工程学院,山西大同 037003)

我国能源结构为富煤贫油少气,煤炭探明资源储量为累计1.4万亿吨,虽然新能源消费逐年在增加,但煤炭能源消费仍占我国能源消费总量的一半以上,短期内煤炭资源在我国能源消费结构中的地位不会发生改变。

随着浅部煤炭资源逐步枯竭,深部开采已成为趋势,深部开采软岩巷道占比逐年增加[1-6]。深部软岩巷道的支护较常规巷道支护有更高要求。在双碳背景下,运用先进设备积极探索更加合理的软岩巷道支护方式,可以更好地助力矿山实现安全高效智能开采[7-10]。

近年来国内专家、学者围绕软岩巷道的支护取得了丰硕的研究成果。孟庆斌等[6]采用理论分析和数值模拟相结合的方法揭示了深井软岩巷道群掘进扰动效应。王文利等[11]采用工程地质调查、数值仿真、室内实验和理论分析的方法,分析了胡底矿盘区泵房底鼓变形的原因,提出了深部高应力富水软岩巷道底鼓机理及控制技术。范育青等[12]采用X射线、电镜扫描、岩石力学物理实验和现场监测的方法,揭示了西部弱胶结软岩巷道围岩变形破坏失稳机理。锚杆、锚索等联合支护已成为矿井支护的有效方法之一,不同方案的锚杆、锚索联合支护若采用现场实测的方法费时、费力且工程量巨大[13-17]。

本文以红庆梁矿12301胶运巷掘进巷道为研究对象,采用FLAC3D软件分析该矿12301胶运巷掘进巷道在不同支护方案下围岩应力分布及塑性区破坏规律,为相似地质条件下的深部软岩巷道的支护提供了理论参考依据。

1 概况

红庆梁煤矿12301胶运巷位于二盘区北部,3-1煤北翼辅运大巷西部,南以设计12301胶带巷为界,北以二盘区北部盘区边界为界,西部以设计切眼位置为界,东部以3-1煤辅运大巷为界。工作面相对位置:工作面地表位于小鄂来色太沟南部,沟壑纵横,属高原侵蚀性丘陵地貌,大部分地区为低矮山丘,植被稀疏,属固定沙丘地,为半荒漠地区,掘进对地面设施无影响。地表标高为+1 465.2～1 514.2 m.工作面标高为998.2 m～1 027.5 m.12301胶运巷位于3-1煤层,该煤层上部2-2煤局部不可采,下部4煤未开拓,周边均未采动。煤层厚度为3.41～6.30 m,平均4.53 m.煤层倾角为1°～3 °,平均2 °.工作面开采煤层为侏罗系中下统延安组煤层,3-1煤煤层结构较简单,大多含1层夹矸,夹矸厚度为0.05～0.2 m.3-1煤层层位稳定,厚度在井田中东部较厚,向西向南渐变,相对较薄,厚度变化不大。

2 不同支护方案的数值模拟

2.1 模型建立

选用有限元差分软件FLAC3D进行建模分析,模型长×宽×高=40 m×100 m×50 m,巷道位于模型中间,尺寸为6 m×4 m,巷道支护方式为锚杆索联合支护,其中锚杆采用Φ22 mm、长度2 600 mm的细丝锚杆,顶锚杆间排距为700/1 300 mm×1 000 mm,帮锚杆间排距为1 000 mm×1 100 mm.锚索采用Φ21.8 mm、长度7 300 mm的抗剪切锚索,间排距为2 000 mm×2 000 mm.在模型表面施加12.5 MPa的垂直应力模拟上覆岩层的自重,模型选用摩尔-库伦强度准则进行计算。数值计算模型见图1,巷道支护方案见图2.

图1 数值计算模型

图2 胶运巷巷道不同支护方案

2.2 胶运巷不同支护方案

方案1:顶板采用Φ22 mm×2 600 mm的细丝锚杆,布置8根锚杆,锚杆、钢带交替使用,钢筋网(Φ6 mm×1 200 mm×3 800 mm)、蝶形托盘(150 mm×150 mm×10 mm)联合支护顶板,4号、5号锚杆间距1 300 mm,其余锚杆间距700 mm,排距1 000 mm.帮部采用Φ22 mm×2 600 mm的细丝锚杆,布置4根锚杆,菱形铅丝网(Φ8 mm×2 400 mm)、蝶形托盘(200 mm×200 mm×10 mm)联合支护帮部,1号锚杆距离顶板700 mm,2号、3号、4号锚杆间距1 000 mm,4号锚杆距离巷道底板300 mm,帮部锚杆排距1 100 mm.锚索支护:锚索采用Φ21.8 mm×7 300 mm的抗剪切鸟窝锚索、JM锚索梁(4.75 mm×320 mm×450 mm)、JM锚索梁托盘(14 mm×200 mm×220 mm)联合支护顶板,3-3-3布置,锚索间排距2 000 mm×2 000 mm.

方案2:顶板采用Φ22 mm×2 600 mm的细丝锚杆,布置6根锚杆,锚杆、钢带交替使用,钢筋网(Φ6 mm×1 200 mm×3 800 mm)、蝶形托盘(150 mm×150 mm×10 mm)联合支护顶板,3号、4号锚杆间距1 300 mm,其余锚杆间距1 000 mm,排距1 000 mm.帮部采用Φ22 mm×2 600 mm的细丝锚杆,布置4根锚杆,菱形铅丝网(Φ8 mm×2 400 mm)、蝶形托盘(200 mm×200 mm×10 mm)联合支护帮部,1号锚杆距离顶板700 mm,2号、3号、4号锚杆间距1 000 mm,4号锚杆距离巷道底板300 mm,帮部锚杆排距1 100 mm.锚索支护:锚索采用Φ21.8 mm×7 300 mm的抗剪切鸟窝锚索、JM锚索梁(4.75 mm×320 mm×450 mm)、JM锚索梁托盘(14 mm×200 mm×220 mm)联合支护顶板,3-3-3布置,锚索间排距2 000 mm×2 000 mm.

方案3:顶板采用Φ22 mm×2 600 mm的细丝锚杆,布置8根锚杆,锚杆、钢带交替使用,钢筋网(Φ6 mm×1 200 mm×3 800 mm)、蝶形托盘(150 mm×150 mm×10 mm)联合支护顶板,4号、5号锚杆间距1 300 mm,其余锚杆间距700 mm,排距1 000 mm.帮部采用Φ22 mm×2 600 mm的细丝锚杆,布置3根锚杆,菱形铅丝网(Φ8 mm×2 400 mm)、蝶形托盘(200 mm×200 mm×10 mm)联合支护帮部,1号锚杆距离顶板800 mm,3号锚杆距离底板800 mm,1号、2号、3号锚杆间距1 200 mm,帮部锚杆排距1 100 mm.锚索支护:锚索采用Φ21.8 mm×7 300 mm的抗剪切鸟窝锚索、JM锚索梁(4.75 mm×320 mm×450 mm)、JM锚索梁托盘(14 mm×200 mm×220 mm)联合支护顶板,3-3-3布置,锚索间排距2 000 mm×2 000 mm.

2.3 不同支护方案下巷道围岩垂直应力分布特征

不同支护方案下的巷道围岩垂直应力分布特征见图3.3种支护方案下,巷道围岩最大垂直应力沿巷道开挖中心线呈近似对称分布。在方案1的支护条件下,巷道围岩垂直应力主要集中在巷道的两侧,垂直应力边界线在巷道宽度的2倍范围内,巷道顶板最大垂直应力为1.0 MPa,两帮最大垂直应力为13.9 MPa.在方案2的支护条件下,巷道围岩垂直及垂直应力边界线同方案1相比没有发生变化,巷道顶板最大垂直应力为1.2 MPa,两帮最大垂直应力为13.95 MPa.在方案3的支护条件下,巷道围岩垂直应力主要集中在巷道的两侧,垂直应力边界线较方案1、2增加1 m,巷道顶板最大垂直应力为1.4 MPa,两帮最大垂直应力为14.03 MPa.方案2在方案1减少2根顶锚杆的前提下,巷道顶板最大垂直应力增加了20%,巷道两帮最大垂直应力增加了0.3%.方案3在方案1减少2根帮锚杆的前提下,巷道顶板最大垂直应力增加了40%,巷道两帮最大垂直应力增加了0.93%.在顶锚杆减少2根的前提下,巷道顶板最大垂直应力几乎呈线性增长,两帮最大垂直应力呈几何增长。在帮锚杆减少2根的前提下,巷道围岩最大垂直力和水平应力区域影响范围没有发生明显变化。

图3 不同支护方案下巷道垂直应力

2.4 不同支护方案下巷道围岩位移规律

不同支护方案下的巷道围岩位移分布规律见图4.在方案1的支护条件下,巷道围岩顶板最大位移量为27 mm.在方案2的支护条件下,巷道围岩顶板最大位移量为27.2 mm.在方案3的支护条件下,巷道围岩顶板最大位移量为27 mm.方案2在方案1减少2根顶锚杆的前提下,巷道顶板最大位移量增加了0.7%,方案3在方案1减少2根帮锚杆的前提下,巷道顶板最大位移没有发生变化。

图4 不同支护方案下巷道顶板位移

现场实测中,12301胶带巷用φ30 mm钻头分别打3 m浅基点、9 m深基点钻孔,安装顶板离层仪。通过顶板离层仪两个月的监测数据得出,12301胶带巷1 043 m处离层仪的数值最大,深基点离层仪最大数值为24.5 mm,实验仿真与现场离层仪实测最大位移相差2.5 mm,浅基点离层仪最大数值为6.8 mm.离层仪数据随时间变化的关系如图5所示。

图5 顶板离层仪监测位移曲线图

2.5 不同支护方案下巷道围岩塑性区变化规律

不同支护方案下的巷道围岩塑性区变化共同点为:塑性区拉伸、剪切破坏区域沿巷道开挖中心线呈近似对称分布,巷道顶部的塑性区破坏范围要大于两帮的塑性区范围。方案2巷道围岩过去发生剪切破坏区域的范围较方案1增加20%,方案3巷道围岩过去发生剪切破坏区域的范围较方案1增加30%,较方案2增加8.3%.巷道顶板减少2根锚杆对巷道围岩发生剪切破坏的影响范围远小于同等条件下的巷道两帮减少2根锚杆。3种方案下巷道围岩塑性区见图6.